基本信息
- 項目名稱：
- 一種新型清潔能源電池
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 近年來，全球手機、筆記本電腦爆炸事故頻繁發(fā)生，嚴重危害了使用者的安全，這些事故發(fā)生歸根究底是鋰離子電池導(dǎo)致的。本作品系一種新型鋰離子電池，創(chuàng)新性的采用細菌纖維素作為電解質(zhì)材料，可以有效地避免傳統(tǒng)電池因為漏液造成的不安全性，并且兼具高電導(dǎo)率和優(yōu)越的機械性能。
- 詳細介紹：
- 鋰離子電池凝膠電解質(zhì)為了提高電導(dǎo)率加入了較多增塑劑，導(dǎo)致鋰離子電池機械性能大大的降低，使得鋰離子電池在使用過程中存在著安全隱患，針對現(xiàn)有鋰離子電池中的這一問題，本作品設(shè)計了三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新型凝膠電解質(zhì)材料。本作品的基本思想是利用細菌纖維素特殊的三維立體網(wǎng)狀水凝膠結(jié)構(gòu)，將其轉(zhuǎn)化為有機凝膠，進而制備得到具有較高離子電導(dǎo)率和機械性能的新型凝膠電解質(zhì)，并組裝成鋰離子電池。為了實現(xiàn)這一構(gòu)想，首創(chuàng)性地采用了溶劑轉(zhuǎn)換的方法制備凝膠電解質(zhì)，并通過靜態(tài)拉伸試驗和交流阻抗法評定此種凝膠電解質(zhì)材料的機械性能和電化學(xué)性能。 通過實驗測得本作品中細菌纖維素凝膠電解質(zhì)膜斷裂強度為32MPa，提高了200%，斷裂伸長率達到73%，提高了高達500%。細菌纖維素中含有大量的微孔用于儲藏可導(dǎo)電的電解液，因此電學(xué)性能優(yōu)異，離子電導(dǎo)率達到1.0×10－2S/cm，由此可見本作品中凝膠電解質(zhì)材料兼具高電導(dǎo)率和優(yōu)異的機械強度。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 本作品的基本思想是利用細菌纖維素特殊的三維立體網(wǎng)狀水凝膠結(jié)構(gòu)，通過溶劑轉(zhuǎn)換法將其轉(zhuǎn)化為有機凝膠，進而制備得到兼具高離子電導(dǎo)率和優(yōu)越機械性能的新型凝膠電解質(zhì)膜。通過對凝膠電解質(zhì)膜離子電導(dǎo)率的研究，分析凝膠態(tài)結(jié)構(gòu)、鋰化合物種類、添加量對電導(dǎo)率的影響，為該種新型凝膠電解質(zhì)的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。 本作品首次提出利用細菌纖維素的特殊三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)制備凝膠電解質(zhì)膜以及創(chuàng)新性地提出了通過溶劑轉(zhuǎn)換的方法將水凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C凝膠，從而實現(xiàn)鋰化合物的添加以及導(dǎo)電膜的制備，具有較強的創(chuàng)新性（查新報告結(jié)論顯示上述內(nèi)容未見有文獻報道）。制備有機凝膠過程中如何將纖維素中的水徹底去除，如何提高凝膠電解質(zhì)膜的電導(dǎo)率以及細菌纖維素在電化學(xué)環(huán)境下的化學(xué)穩(wěn)定性是本研究的關(guān)鍵。而本作品所要達到的主要指標有： ①離子電導(dǎo)率達到10-3S/cm； ②保液性能保持在95%以上； ③與電極有良好的接觸； ④電解質(zhì)機械性能良好，達到加工要求，斷裂伸長率達到50%以上； ⑤電池最小容量150mAh，內(nèi)阻小于10mΩ。
科學(xué)性、先進性
- 本作品大大改善了現(xiàn)有凝膠電解質(zhì)材料的缺點，選用細菌纖維素作為凝膠電解質(zhì)基體材料，細菌纖維素是由高密度納米纖維交織成的，具有三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的材料，通過實驗測得本作品中細菌纖維素凝膠電解質(zhì)膜斷裂強度為32MPa，提高了200%，斷裂伸長率達到73%，提高了高達500%。細菌纖維素中含有大量的微孔用于儲藏可導(dǎo)電的電解液，因此電學(xué)性能優(yōu)異，離子電導(dǎo)率達到1.0×10－2S/cm，由此可見本作品中凝膠電解質(zhì)材料兼具高電導(dǎo)率和優(yōu)異的機械強度。 本作品發(fā)明了溶劑轉(zhuǎn)換的方法，解決了傳統(tǒng)的凝膠電解質(zhì)材料加入較多增塑劑導(dǎo)致機械性能降低這一問題，使得凝膠電解質(zhì)材料保持較高電導(dǎo)率的情況下提高了機械強度，可加工性能進一步提高。傳統(tǒng)的凝膠電解質(zhì)材料加入較多的增塑劑，污染環(huán)境，回收成本高，本作品選用的發(fā)明綠色環(huán)保，順應(yīng)了國家對電池綠色制造的理念。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品，現(xiàn)場演示，圖片，錄像，樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 本作品的技術(shù)特點如下： ①本作品選用超細三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料細菌纖維素作為凝膠電解質(zhì)基體材料，可以有效地避免現(xiàn)有凝膠電解質(zhì)材料加入大量增塑劑造成的機械性能大大降低的不足。 ②本作品所制的凝膠電解質(zhì)膜電導(dǎo)率高，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以使電解液牢牢地固定在其中，儲藏更多的電解液，實現(xiàn)了電化學(xué)性能優(yōu)異與機械性能優(yōu)越的統(tǒng)一。 隨著移動通訊的普及，對小型充電電池的需求量和銷售量迅速增大，眾所周知電子產(chǎn)品正向小型化、薄型化方向發(fā)展，本作品中的鋰離子電池厚度薄、柔韌性好，可以任意彎曲折疊，外形設(shè)計更加靈活多樣。 我國“十二五”綱要中明確提出，新能源汽車被列為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，隨著新能源汽車的逐漸推廣，鋰電池在市場上的經(jīng)濟效益不言而喻。本作品所述的凝膠聚合物鋰離子電池既可以達到較高的電導(dǎo)率與優(yōu)越的機械性能，又由于其采用原料普遍易得，價格可接受，簡化了目前繁瑣的工藝過程，大大降低了產(chǎn)品成本和機會成本，它在未來的電池市場中更易被一般電子廠商接受。
同類課題研究水平概述
- 目前國內(nèi)外鋰離子電池大部分采用的是液態(tài)電解質(zhì)，液態(tài)鋰離子電池具有良好的高充放電速率和低溫性能，但液體電解液有可能泄漏，而且因過放電，容易導(dǎo)致過剩的鋰離子在負極形成枝晶，這些因素不但造成電池性能的衰減，而且危害電池的安全性。因此在液態(tài)鋰離子電池的基礎(chǔ)上，開發(fā)了新一代鋰離子電池：聚合物鋰離子電池。 聚合物電解質(zhì)可分為兩類：一類是固態(tài)聚合物電解質(zhì)(SPE)，它的室溫離子電導(dǎo)率較低(10-4~10-5S/cm)，目前仍難于在電池中使用；另一類就是凝膠聚合物電解質(zhì)(GPE) ，它的室溫離子電導(dǎo)率一般都在10-3S/cm數(shù)量級，是最有希望應(yīng)用于鋰離子電池中的聚合物電解質(zhì)。 目前已經(jīng)有多種凝膠聚合物體系得到了開發(fā)研究，其中研究最為詳盡的是聚環(huán)氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）四種聚合物及其衍生物體系或者其它無機粒子等的復(fù)合體系，但是其性能仍有不足，存在下列問題：（1）在室溫下的電導(dǎo)率偏低，不能滿足實際需要；（2）體系與鋰電極相容性較差；（3）由于聚合物在“凝膠狀態(tài)”時的濃度不高，它的機械強度有待提高，因而目前聚合物鋰離子電池在鋰電池市場應(yīng)用有限。傳統(tǒng)的凝膠聚合物電解質(zhì)的制備方法是通過澆鑄的方法，將聚合物先溶解在溶劑中，然后加入含鋰鹽的液態(tài)電解質(zhì)中，最后在室溫下把溶劑揮發(fā)后就制備得到了凝膠聚合物電解質(zhì)膜。由于采用這種工藝環(huán)境要求較高，制膜過程必須在封閉的手套箱中進行，電解質(zhì)制備手段過于煩瑣復(fù)雜，因此其設(shè)備費用投入較大，制備成本高，廢棄溶劑處理困難。此外過多的液體電解質(zhì)吸附會破壞體系的力學(xué)性能，且體系可能會發(fā)生漏液現(xiàn)象，易與鋰電極發(fā)生反應(yīng)而降低性能，甚至?xí)a(chǎn)生安全性問題。 目前對于新型的凝膠電解質(zhì)膜——細菌纖維素膜在鋰離子電池方面的研究仍處于起步狀態(tài)，而作為鋰離子電池的核心部分電解質(zhì)膜材料的制備和鋰離子電池膜元件組裝則是個系統(tǒng)的研究，因此本作品采用溶劑轉(zhuǎn)換法，簡化制備工藝，從細菌纖維素凝膠電解質(zhì)膜的制備、各反應(yīng)條件對凝膠電解質(zhì)膜的影響及電性能測試來系統(tǒng)研究，以期獲得既保持一定力學(xué)性能，又有較高電化學(xué)性能的凝膠聚合物電解質(zhì)膜，并獲得一套優(yōu)化的鋰離子電池系統(tǒng)。
